04. Силовой привод: 3-фазный МОП-мост определяет выходной крутящий момент шарнира.

Рисунок 5: Провода трехфазного двигателя централизованно соединены с силовой секцией МОП-транзистора, вокруг которого расположены резисторы выборки, драйверы и фильтрующие компоненты.

 

Этот драйвер для комбинированного блока предназначен для трехфазных бесщеточных двигателей. Высокоэффективное управление трехфазными бесщеточными двигателями постоянного тока обычно требует трех полумостовых схем, образующих трехфазный инвертор как минимум с шестью силовыми MOSFET-транзисторами. Используется несколько MOSFET-транзисторов в больших корпусах.можетих можно обнаружить на печатной плате вокруг точек пайки трехфазного выхода, что соответствует данной архитектуре.

 

Логику работы трехфазного моста можно упростить следующим образом:

Напряжение батареи или шины подается через контакты P+ и P-; высокоскоростное переключение МОП-полумостов преобразует постоянное напряжение в трехфазный ток;

Трехфазный ток протекает через обмотки двигателя, создавая вращающееся магнитное поле; контроллер непрерывно регулирует коэффициент заполнения ШИМ на основе положения энкодера и обратной связи по току;

В конечном итоге это позволяет шарниру выдавать заданный крутящий момент, скорость или положение.

Некачественная конструкция этого участка приведет к ряду типичных проблем: чрезмерному нагреву МОП-транзисторов, дрожанию на низких скоростях, сильным пульсациям крутящего момента, ложным срабатываниям защиты от перегрузки по току и электромагнитным помехам, влияющим на энкодеры или цепи связи. По этой причине проектирование плат питания для шарниров роботов представляет собой гораздо более сложную задачу, чем проектирование обычных плат управления небольшими двигателями.

 

Рисунок 6: На плате виден стабилизатор напряжения TLV767, а также индукторы, конденсаторы и несколько низковольтных силовых компонентов.

Также стоит проанализировать схему электропитания. На печатной плате видны LDO-регуляторы, такие как TLV767, и силовые индукторы с маркировкой «100». Учитывая сценарий применения соединений с номинальным напряжением 48 В, можно сделать вывод, что низковольтная система вряд ли будет напрямую понижаться с высокого напряжения исключительно за счет LDO-регуляторов. Вместо этого используется архитектура электропитания, аналогичная следующей:

Шина высокого напряжения → Импульсное понижающее преобразование → Шины низкого напряжения (5 В / 3,3 В и т. д.) → Вторичная стабилизация напряжения с помощью LDO / локальная фильтрация шума

Такая архитектура питания более рациональна. Микроконтроллер, энкодер, усилители выборки и приемопередатчики связи требуют чистого, стабильного низковольтного питания, в то время как МОП-транзисторы и фазные линии двигателя генерируют сильный шум. Если низковольтный источник питания не обладает достаточной помехоустойчивостью, первыми возникающими неисправностями обычно являются не сбои в работе двигателя, а резкие скачки угла, обрывы связи или дрейф показаний выборки тока.

05. Измерение тока и температуры: шарниры роботов должны контролировать выходной крутящий момент в режиме реального времени.

 

Рисунок 7: Под секцией трехфазного питания расположены несколько низкоомных измерительных резисторов R001.

Компоненты R001 играют решающую роль на этой плате, представляя собой низкоомные резисторы (обычно 1 мОм) с сопротивлением в миллиомах, используемые для измерения фазного тока двигателя или тока шины. Измерение тока является основой замкнутой системы управления шарнирами робота, поскольку выходной крутящий момент бесщеточного двигателя постоянного тока сильно коррелирует с его фазным током.

Иными словами, контроллер не «угадывает» крутящий момент, возникающий в шарнире; вместо этого он вычисляет ток, измеряя крошечное падение напряжения на резисторах датчика:

Падение напряжения на резисторе датчика → Усиление и фильтрация → Выборка АЦП → Расчет тока → Управление крутящим моментом FOC

Точность этой сигнальной цепи напрямую влияет на:

Точность регулирования крутящего момента: Если оценка тока неточна, то и выходной крутящий момент будет неточным.

Плавность на низких скоростях: высокий уровень шума при дискретизации, как правило, вызывает дрожание на низких скоростях.

Защита от перегрузки по току: медленная реакция может привести к выходу из строя MOSFET-транзисторов, а чрезмерно чувствительные настройки приводят к ложным срабатываниям защиты.

Стратегия терморегулирования: Длительное протекание высокого тока приводит к одновременному повышению температуры обмоток двигателя, MOSFET-транзисторов и резисторов датчика тока.

С точки зрения компоновки, размещение резисторов для измерения тока вблизи MOSFET-транзисторов и фазной проводки сокращает длину сильноточной петли, что помогает уменьшить паразитную индуктивность и ошибки выборки. Большое количество небольших резисторов и конденсаторов размещается вблизи каждой фазы, как правило, для демпфирования затвора, фильтрации выборки, стабилизации драйвера и локальной развязки.

Измерение температуры также крайне важно. Маркировка MOTOR NTC указывает на терморезистор, установленный внутри двигателя или рядом с обмотками. В случае шарниров человекоподобных роботов, работа на низких скоростях с высоким крутящим моментом, длительное статическое удержание и кратковременные ударные воздействия при вставании или приседании приводят к существенному повышению температуры. NTC позволяет контроллеру выполнять три ключевые функции, основанные на измерении температуры:

Ограничение тока: уменьшение максимального выходного тока при повышении температуры; Снижение номинальной мощности: ограничение пикового крутящего момента при длительной работе под большими нагрузками;

Защитное отключение: переход в аварийный режим при превышении температуры безопасного порога.

Это также фундаментальная возможность, которой должны обладать шарниры профессиональных роботов. Без замкнутого контура управления температурой шарнир не сможет надежно работать в течение длительного времени, несмотря на высокий пиковый крутящий момент.

06 Определение положения: Двойные магнитные энкодеры и шестерни преобразуют углы вращений в один оборот в показания положения в несколько оборотов.

После снятия печатной платы на обратной стороне можно увидеть набор небольших зубчатых передач. Это не основные редукторы, а вспомогательные механизмы, предназначенные для определения угла поворота.

 

Рисунок 8: Область шестерни и магнитного энкодера на обратной стороне платы управления.

 

Рисунок 9: Вращение центрального вала приводит к синхронному вращению двух соседних шестерен.

В конструктивном плане вращение центрального вала приводит в движение две небольшие шестерни. В центре каждой шестерни установлен магнитный компонент, а на соответствующей стороне печатной платы смонтированы микросхемы магнитных энкодеров. Магнитные энкодеры измеряют угловые изменения магнитных полей, что исключает необходимость использования оптических дифракционных решеток. Они устойчивы к незначительному загрязнению маслом и пылью, что делает их более подходящими для полностью закрытых шарниров роботов.

 

Рисунок 10: Двухступенчатая конструкция с двумя энкодерами улучшает угловое разрешение и обеспечивает многооборотное определение положения.

Наиболее примечательной здесь является конфигурация «двухступенчатая + двухканальный магнитный энкодер». Ее ценность выходит далеко за рамки простого добавления второго датчика для повышения точности; скорее всего, она разработана для реализации многооборотной схемы кодирования абсолютного положения:

Один магнитный энкодер точно измеряет углы в диапазоне 0–360°;

Однако шарнир может совершать несколько оборотов, и однооборотный энкодер не может самостоятельно определить количество оборотов;

Если две шестерни имеют разное количество зубьев или разные передаточные числа, они образуют корреляцию, подобную нониусной;

Объединив два угловых показания, контроллер вычисляет абсолютное положение в гораздо более широком диапазоне.

Эта конструкция имеет большое значение для человекоподобных роботов. После выключения питания суставы ног, рук или талии могут смещаться под действием внешних сил. При повторном включении питания суставы, требующие значительных движений по ориентации, становятся менее эффективными и представляют опасность. Многооборотное абсолютное позиционирование позволяет суставам мгновенно получать данные о положении сразу после восстановления питания.